裂解氣壓縮機無法高負荷運行原因分析及對策探究

龔春雷，李輝源

（中國石油天然氣股份有限公司蘭州石化分公司，甘肅 蘭州 730060）

1 裝置概況及現狀

某石化公司乙烯裝置建有4臺裂解爐，年產乙烯量為16萬t。裂解氣壓縮機于2016年完成改造，機組采用沈陽鼓風機2MCL706+2MCL608壓縮機，杭州汽輪機型號為EHNK40/45/60的蒸汽輪機。改造后運行初期進行標定，裝置負荷可以達到75t/h，壓縮機送出氣量可以達到70t/h。2017年年底開始，壓縮機負荷逐步降低，壓縮機無法達到高負荷運行，裝置裂解爐負荷基本維持在不足70t/h的投油量，而壓縮機透平高、低壓閥基本全開，完全沒有調整余量，壓縮機運行負荷無法提高，裝置只能維持低負荷生產。

2 原因分析

裂解氣壓縮機無法高負荷運行最直接的原因：一是壓縮機結焦嚴重，流道、葉輪堵塞造成裂解氣通過性差，造成壓縮機負荷變低；二是透平通流部分結垢，蒸汽流通量減少，造成汽輪機動力不足，導致壓縮機無法高負荷運行；三是透平內件損壞，內耗增加，效率降低，導致壓縮機無法高負荷運行；四是汽輪機蒸汽供氣量不足，在乙烯裝置表現為裂解爐高壓蒸汽量發生量不足，造成汽輪機動力不足無法高負荷運行。

2.1 壓縮機內部結焦可能性分析

（1）從日常操作來看，壓縮機注水能夠正常注入，壓縮各段溫度均控制在92℃以內，壓縮機阻聚劑也正常注入，按照以往機組檢修經驗，可以控制壓縮機的結焦速率。

（2）通過S8000在線監測系統，查詢汽輪機軸振動、軸位移，壓縮機軸振動、軸位移，均在正常范圍內沒有發生明顯的變化。

（3）從壓縮機運行工藝參數來看，壓縮機各段壓力均正常，各段間壓力沒有超壓的現象，壓縮機送出量正常。

因此，從壓縮機運行參數可以排除壓縮機內部結焦的問題。

2.2 透平內部結垢可能性分析

（1）輪式壓力分析，透平結垢可以從透平輪室壓力做出初步判斷，ΔP=（P-P0）/P0，其中P為運行后期輪室壓力，P0為初始的輪室壓力。當ΔP>10%，認定為汽輪機內部結垢，需及時進行清理。2016年改造后開車的輪室壓力為5.6MPa，從2018年年初透平輪室壓力基本在5.7MPa左右。輪室壓力相對增加值沒有超過初始值的10%，從輪室壓力初步判斷透平沒有結垢。

（2）透平水質分析，首先，透平結垢主要組成為SiO2，結垢的必要條件是水中SiO2超標，從鍋爐水出口水質分析數據和透平凝液分析數據進行判斷，鍋爐爐水和透平凝液中SiO2含量均在指標范圍內，沒有異常情況。

（3）濕蒸汽吹掃驗證，為了排除水質分析和輪室壓力的誤判，利用裝置裂解爐燒焦壓縮機低負荷的機會，對蒸汽透平進行濕蒸汽吹掃，并間隔記錄透平凝液中SiO2的含量，濕蒸汽吹掃過程中SiO2的含量基本沒有發生變化。因此，判定汽輪機內部并沒有結垢。

由以上分析可以確定透平蒸汽流通通道不存在結垢的問題。

2.3 透平內件損壞可能性分析

透平內件損壞，內耗增加，會造成動力不足。從透平結構分析，透平噴嘴的沖刷損傷會造成透平內耗的增加；內氣封的損傷，密封性能下降，也會造成透平功耗的增加。排除其他內部原因后，可以判定汽輪機內件損壞造成了裂解氣壓縮機低負荷運行。在多年的汽輪機檢修中，內氣封損壞問題情況比較常見，其影響程度也不會導致汽輪機耗氣量大幅升高。在汽輪機運行過程中，由于蒸汽品質不良使噴嘴金屬腐蝕和結垢，會嚴重影響汽輪機效率，大幅度增加蒸汽的耗量，造成壓縮機無法高負荷運行。

2.4 對裂解爐高壓蒸汽發生量進行分析

裂解氣壓縮機所用高壓蒸汽由裝置裂解爐產出，蒸汽發生量與爐子負荷密切相關。透平設計工況：當壓縮機進蒸汽量為75t/h，高壓蒸汽溫度500℃，壓力為10.1MPa，轉速7104r/min，抽氣量50t/h，功率達到正常功率8997kW。從各爐蒸汽發生量來看（見表1），四臺裂解爐全部投油時，高壓蒸汽的發生量能夠達到75t/h以上，溫度在494℃以上，高壓蒸汽壓力高于10.1MPa。由此可見，蒸汽發生量理論上是富裕的。

表1 2019年4月蒸汽相關數據表

但是，裝置實際運行時隨著負荷的提高，汽輪機高壓蒸汽進氣壓力會逐步下降，轉速無法提高，最終無法滿足機組運行要求，從而又需要降低負荷維持運行。該操作問題表現出高壓蒸汽量隨著負荷的升高無法再繼續提高，裂解爐有產氣不足的現象，透平蒸汽量在邊界量運行。因此，產氣量不富裕是壓縮機效率降低后不能高負荷運行的外部原因。

3 檢修驗證及對策

3.1 汽輪機

2019年大檢修打開汽輪機和壓縮機時檢查發現（見圖1），部分噴嘴有明顯的沖蝕現象，部分噴嘴損傷超過15mm，隔板及噴嘴表面有明顯水痕并附著有白色物質。由于噴嘴的沖刷損壞，氣流偏流導致氣室及內氣封被沖刷，透平各級內氣封多處損壞。壓縮機高壓缸內部相對比較干凈，阻聚效果良好，能充分說明我們之前的判斷，汽輪機噴嘴的損傷造成裂解氣壓縮機無法高負荷運行的論點是正確的。

圖1 汽輪機噴嘴損傷情況

汽輪機噴嘴損傷的原因通常有以下幾種：機械損傷、水擊損傷、腐蝕和銹蝕損傷、運行管理不當。從裝置的運行情況分析，首先，在近一年蒸汽溫度有過較大波動，單爐高壓蒸汽溫度曾接近于飽和溫度314℃，高壓蒸汽總管溫度也因此被拉低，在噴嘴處不飽和蒸汽可以對噴嘴外緣形成沖刷破壞。其次，蒸汽PH值控制較高，爐水中的PH值過高，會造成游離NAOH過多，容易引起堿性脆裂。

因此，為保障壓縮機高負荷運行應該對驅動蒸汽品質進行管控。第一，控制蒸汽溫度。嚴格監視主蒸汽溫度，當裂解爐單爐高壓蒸汽溫度低于飽和溫度314℃，需將高壓蒸汽切除管網，以免不飽和的蒸汽進入汽輪機造成內件損傷。第二，控制PH值符合指標，細致調節助劑的注入濃度和注入量受控，保證高壓蒸汽PH在指標范圍內。

3.2 裂解爐

裂解爐產汽量受原料品質、投料負荷、裂解爐熱效率等因素影響，其中SLE的換熱效果對裂解爐產汽率起到了關鍵作用。本案四臺裂解爐SLE使用周期較長，而且四臺裂解爐SLE均出現失效堵管的現象，某一單臺裂解爐堵管率超過10%（總80組SLE，堵管10組），從而導致高壓蒸汽產出量不足。其次，裂解爐對流段預熱盤管目的之一是對鍋爐給水進行預熱，因此，對流段換熱效果也會影響SLE發生超高壓蒸汽的產量。裝置裂解爐未設置對流段吹灰器，在歷次檢修中對流段積灰比較嚴重，也會對高壓蒸汽的產量產生影響。

因此，為提高產氣量我們做了以下調整措施：第一，優化裂解爐燒焦方案，將高溫燒焦時間延長，對急冷器內管進行有效燒焦，提高了急冷器換熱效果，增加了蒸汽發生量。第二，定期對裂解爐對流段盤管進行化學清洗，增強對流段換熱效果，提高了裂解爐的熱效率。

4 結語

本文通過汽輪機噴嘴組進行更換、內氣封修復、急冷器SLE更新、對流段化學清洗等措施實施后，裂解爐高壓蒸汽發生量得到了大大的提高，透平的效率也得到了提升，開車后負荷穩定在74t/h，較之前增加6t/h，當裂解爐在負荷在76t/h標定時，透平高壓閥開度在93%，低壓閥開度為50%左右，高、低壓閥仍然有調整的空間，壓縮機整體效率明顯提高。今后為了長期保持壓縮機高效運行，還需對機組進行嚴格管控。